(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が可変である記録層と、
膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が不変である参照層と、
前記記録層及び前記参照層間に設けられた中間層と、
前記記録層の前記中間層が設けられた面と反対面に設けられた第１の下地層と、
を具備し、
前記記録層は、前記中間層側に設けられかつＣｏＦｅを主成分とする第１の磁性層と、前記第１の下地層側に設けられかつＣｏＦｅを主成分とする第２の磁性層とを有し、前記第１の磁性層のＦｅの濃度が前記第２の磁性層のＦｅの濃度より高く、
前記第１の下地層は、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）からなり、
前記第１の下地層の組成は、化学量論的組成に対して窒素が不足していることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が可変である記録層と、
膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が不変である参照層と、
前記記録層及び前記参照層間に設けられた中間層と、
前記記録層の前記中間層が設けられた面と反対面に設けられた第１の下地層と、
を具備し、
前記記録層は、前記中間層側に設けられかつＦｅを主成分とする第１の磁性層と、前記第１の下地層側に設けられかつＣｏを主成分とする第２の磁性層とを有し、
前記第１の下地層は、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）からなり、
前記第１の下地層の組成は、化学量論的組成に対して窒素が不足していることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項３】
膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が可変である記録層と、
膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が不変である参照層と、
前記記録層及び前記参照層間に設けられた中間層と、
前記記録層の前記中間層が設けられた面と反対面に設けられた第１の下地層と、
を具備し、
前記記録層は、Ｆｅの濃度がＣｏの濃度より高いＣｏＦｅを主成分とし、
前記第１の下地層は、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）からなり、
前記第１の下地層の組成は、化学量論的組成に対して窒素が不足していることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記第１の下地層及び前記記録層間に設けられ、Ｉｒ、Ｐｄ、及びＰｔから選択される１つの元素からなる第２の下地層をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記第１の下地層の側面に設けられた導電層をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記記録層は、前記第１及び第２の磁性層間に設けられた非磁性層をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記非磁性層は、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＡｌＮ、ＮｂＮ、ＺｒＮ、及びＳｉＮから選択されることを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気抵抗素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直磁化膜を記録層に用いたスピン注入ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）は、書き込み電流の低減、及び大容量化の点において優れている。原子稠密面を有するコバルト（Ｃｏ）と白金（Ｐｔ）との積層膜は、結晶磁気異方性が１０７ｅｒｇ／ｃｍ２と大きく、また低抵抗で高い磁気抵抗比（ＭＲ比）を実現することが可能であるため、大容量ＭＲＡＭを実用化する技術として注目されている。
【０００３】
一方、結晶整合性の観点からＣｏＰｔ合金の下地としてルテニウム（Ｒｕ）が用いられているが、Ｒｕ下地は、記録層の減衰定数を上昇させるため、書き込み電流が大きくなることが問題となっている。垂直磁化膜を用いたスピン注入ＭＲＡＭにおいて、書き込み電流は、減衰定数に比例、スピン分極率に反比例、面積の２乗に比例して大きくなる。このため、減衰定数の低減、スピン分極率の上昇、面積の低減は、書き込み電流の低減に必要な技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】2010 The Japan Society of Applied Physics Express 3 (2010) 053003
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
実施形態は、書き込み電流をより低減することが可能な磁気抵抗素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態に係る磁気抵抗素子は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が可変である記録層と、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が不変である参照層と、前記記録層及び前記参照層間に設けられた中間層と、前記記録層の前記中間層が設けられた面と反対面に設けられた第１の下地層とを具備し、前記記録層は、前記中間層側に設けられかつＣｏＦｅを主成分とする第１の磁性層と、前記第１の下地層側に設けられかつＣｏＦｅを主成分とする第２の磁性層とを有し、前記第１の磁性層のＦｅの濃度が前記第２の磁性層のＦｅの濃度より高い。前記第１の下地層は、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）からなり、前記第１の下地層の組成は、化学量論的組成に対して窒素が不足している。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。
【図２】ＭＴＪ素子１０の構成例を示す断面図。
【図３】ＡｌＮ下地層の組成に対する記録層１３の磁気特性を示すグラフ。
【図４】ＡｌＮ下地層の窒素濃度に対するＣｏＦｅＢ層の減衰定数を示すグラフ。
【図５】ＣｏＦｅＢ層の膜厚と減衰定数との関係を示すグラフ。
【図６】ＣｏＦｅＢ層の濃度とＭＲ比との関係を示すグラフ。
【図７】ＣｏＦｅ層の組成に対するＭＲ比の変化を示すグラフ。
【図８】ＭＴＪ素子１０の構成例を示す断面図。
【図９】ＭＴＪ素子１０の構成例を示す断面図。
【図１０】ＭＴＪ素子１０の構成例を示す断面図。
【図１１】第２の実施形態に係る下地層１２の組成と記録層１３の減衰定数との関係を示すグラフ。
【図１２】Ｉｒ下地層１２を用いた場合のＣｏＰｄ層の磁気特性を示すグラフ。
【図１３】ＩｒＣｕ下地層１２を用いた場合のＣｏＰｄ層の磁気特性を示すグラフ。
【図１４】ＩｒＡｌ下地層１２を用いた場合のＣｏＰｄ層の磁気特性を示すグラフ。
【図１５】第３の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。
【図１６】ＭＴＪ素子１０の構成例を示す断面図。
【図１７】第４の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。
【図１８】ＭＴＪ素子１０の製造工程を示す断面図。
【図１９】ＭＴＪ素子１０の製造工程を示す断面図。
【図２０】ＭＴＪ素子１０の製造工程を示す断面図。
【図２１】第５の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図。
【図２２】ＭＲＡＭの構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法及び比率などは必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置及び方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【０００９】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る磁気抵抗素子であるＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。ＭＴＪ素子１０は、下から順に、下部電極１１、下地層１２、記録層１３、中間層（トンネルバリア層）１４、参照層１５、上部電極１６が積層されて構成されている。
【００１０】
記録層１３及び参照層１５はそれぞれ、強磁性材料からなり、膜面に垂直な方向の磁気異方性を有し、それらの容易磁化方向は膜面に対して垂直である。すなわち、ＭＴＪ素子１０は、記録層１３及び参照層１５の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、垂直磁化ＭＴＪ素子である。なお、容易磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが低くなる方向である。困難磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが大きくなる方向である。
【００１１】
記録層１３は、磁化（或いはスピン）方向が可変である（反転する）。参照層１５は、磁化方向が不変である（固着している）。参照層１５は、記録層１３よりも十分大きな垂直磁気異方性エネルギーを持つように設定される。磁気異方性の設定は、材料構成や膜厚を調整することで可能である。このようにして、記録層１３の磁化反転電流を小さくし、参照層１５の磁化反転電流を記録層１３のそれよりも大きくする。これにより、所定の書き込み電流に対して、磁化方向が可変の記録層１３と磁化方向が不変の参照層１５とを備えたＭＴＪ素子１０を実現できる。
【００１２】
中間層１４は、非磁性材料からなり、非磁性金属、非磁性半導体、絶縁体などを用いることができる。中間層１４として絶縁体を用いた場合はトンネルバリア層と呼ばれ、中間層１４として金属を用いた場合はスペーサ層と呼ばれる。
【００１３】
下地層１２は、記録層１３の磁気異方性を向上させる機能を有する。記録層１３は、それに接する材料により、減衰定数（ダンピング定数）が増加することがあり、スピンポンピング効果として知られている。下地層１２は、このスピンポンピングを低減することで、記録層１３の減衰定数を低減する機能も有する。下地層１２は、窒素化合物からなり、具体的な材料については後述する。
【００１４】
以下に、ＭＴＪ素子１０の構成例について説明する。下部電極１１は、Ｔａ（２００）／Ｃｕ（２００）／Ｔａ（１５０）から構成される。下地層１２は、ＡｌＮ（１０）／Ｉｒ（３０）から構成される。記録層１３は、ＣｏＦｅＢ（８）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（５）から構成される。トンネルバリア層１４は、ＭｇＯ（１０）から構成される。参照層１５は、ＴｂＣｏＦｅ（１２０）／ＣｏＦｅＢ（４）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅＢ（１５）から構成される。上部電極１６は、Ｒｕ（２００）／Ｔａ（５０）から構成される。なお、元素に付記した括弧内の数値は膜厚を示し、膜厚の単位はÅである。“／”の左に記載した元素が右に記載した元素の上に積層されていることを示す。
【００１５】
図２は、ＭＴＪ素子１０の構成例を示す断面図である。図２に示すように、記録層１３は、積層構造を有し、下から順に、磁性層１３Ａ、非磁性層１３Ｂ、及び磁性層１３Ｃが積層されて構成されている。磁性層１３ＡはＣｏＦｅからなり、非磁性層１３Ｂはタンタル（Ｔａ）からなり、磁性層１３ＣはＣｏＦｅＢからなる。
【００１６】
下地層１２に含まれるＡｌＮ層は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を窒素（Ｎ２）とアルゴン（Ａｒ）とを含む混合ガスを用いてスパッタリングして成膜する。図３は、下地層１２に含まれるＡｌＮ層（ＡｌＮ下地層）の組成に対する記録層１３の磁気特性を示すグラフである。図３の横軸は膜面垂直方向の磁場（ｋＯｅ）を表し、図３の縦軸は記録層１３の膜面垂直方向の磁化（ｅｍｕ）を表している。図３（ａ）は、アルミニウム（Ａｌ）に対して窒素が２５at.％含有された組成を有するＡｌＮ下地層を用いた場合の磁気特性を示している。図３（ｂ）は、アルミニウム（Ａｌ）に対して窒素が５０at.％含有された組成、すなわち化学量論的組成を有するＡｌＮ下地層を用いた場合の磁気特性を示している。図３中の“Ｅ”は、１０を底とする指数関数を意味する。“at.％”は、原子パーセントを意味する。
【００１７】
図３から、アルミニウム（Ａｌ）に対する窒素の濃度が増加すると、記録層１３の垂直磁気特性が劣化する。垂直磁気特性の劣化は記録保持エネルギー（磁気異方性エネルギー）の低下を引き起こすため、ＡｌＮ下地層を化学量論的組成で用いることは好ましくない。
【００１８】
また、ＡｌＮ下地層を化学量論的組成で用いると高抵抗層となるため、読み出し電流を流した際に、読み出し出力の低下を引き起こす。ＡｌＮ下地層を化学量論的組成に対して窒素が少ない組成を用いること、或いは化学量論的組成のＡｌＮ下地層を薄くすることでＡｌＮ下地層の抵抗を下げ、読み出し出力の低下を小さくすることが可能になる。
【００１９】
図３（ｂ）の磁気特性は、図３（ａ）の磁気特性に比べ垂直磁気異方性が小さい。しかし、図３（ｂ）のＡｌＮ下地層を用いた場合でも、記録層１３のＣｏＦｅＢ（８）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（５）におけるＣｏＦｅＢ（８）に対して、ＣｏとＦｅとの組成をＦｅがＣｏに対して多くなる組成にしたり、ＣｏＦｅＢをＦｅＢにすることで垂直磁気異方性を向上させ、図３（ａ）の磁気特性と同等の磁気特性を得ることができる。また記録層１３のＣｏＦｅＢ（８）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（５）におけるＣｏＦｅ（５）に対して、ＣｏとＦｅの組成をＣｏがＦｅに対して多くなる組成にしたり、ＣｏＦｅをＣｏにすることで垂直磁気異方性を向上させ、図３（ａ）の磁気特性と同等の磁気特性を得ることができる。
【００２０】
図４は、ＡｌＮ下地層の窒素濃度に対するＣｏＦｅＢ層の減衰定数を示すグラフである。ＣｏＦｅＢ層の膜厚は２ｎｍである。図４の横軸は窒素の濃度（at.％）を表し、図４の縦軸はＣｏＦｅＢ層の減衰定数を表している。
【００２１】
ＣｏＦｅＢ層の減衰定数は、窒素濃度の増加に伴って低下し、化学量論的組成において最も小さな値となる。つまり、記録層１３の記録保持エネルギーを上昇させるには、窒素濃度は化学量論的組成に対して少ない方が好ましく、逆に、記録層１３の書き込み電流を低減させるには、窒素濃度を化学量論的組成に近づけた方が好ましい。しかし、最低限、記録層１３の磁化が垂直でなければ、垂直磁化膜を用いたＭＲＡＭにおいて情報の保持ができない。このため、ＡｌＮ下地層の窒素濃度は、化学量論的組成に対して窒素が不足するように制御する必要がある。
【００２２】
図５は、各種下地材料におけるＣｏＦｅＢ層の膜厚と減衰定数との関係を示すグラフである。図５の横軸はＣｏＦｅＢ層の膜厚（ｎｍ）を表し、図５の縦軸はＣｏＦｅＢ層の減衰定数を表している。図５には、下地材料として、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及び窒化ニオブ（ＮｂＮ）を載せている。
【００２３】
記録層１３の膜厚が薄くなると下地層１２によるスピンポンピングの影響、及び、下地層１２と記録層１３との界面で生じる積層構造の混ざり或いは電子状態の変化によって、記録層１３の磁気特性が変化し、記録層１３の減衰定数が増加する。減衰定数の増加は書き込み電流の増加を引き起こすため、減衰定数の低減は必要である。
【００２４】
一方、記録層１３の膜厚増加は、磁性体中でのスピンの消失によるスピン注入書き込みの効率低下を引き起こすため、書き込み電流の増加を引き起こす。つまり、書き込み電流の低減には、記録層１３の減衰定数の低減、かつ記録層１３の薄膜化が必要であるが、これら２つの条件は図５から相反する。理想的には記録層１３の膜厚が薄くなっても記録層１３の減衰定数が増加しないような材料を下地層１２に用いることが、書き込み電流の低減には望ましい。
【００２５】
図５から、ＡｌＮ下地層は、記録層１３の膜厚が薄くなっても減衰定数を小さくすることができるため、書き込み電流の低減を可能にする。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の他に、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）、或いはシリコン窒化物（ＳｉＮ）などの窒素化合物を下地層１２に用いることでも書き込み電流の低減が可能である。また、こられの窒素化合物は熱による耐拡散性が強いため、下地層１２と記録層１３との拡散を抑制でき、ＭＴＪ素子１０の磁気特性のばらつきを抑制することが可能となる。
【００２６】
図６は、記録層１３のＭｇＯバリア（トンネルバリア層１４）側のＣｏＦｅＢ層におけるＣｏＢとＦｅＢとの濃度を変化させた場合の磁気抵抗比（ＭＲ比）の変化を示すグラフである。ＣｏＢの組成は、Ｃｏ：Ｂ＝８０at.％：２０at.％である。ＦｅＢの組成は、Ｆｅ：Ｂ＝８０at.％：２０at.％である。図６の横軸はＦｅＢの濃度（vol.％）を表し、図６の縦軸はＭＲ比（％）を表している。“vol.％”は、体積パーセント濃度を意味する。
【００２７】
図６から、記録層１３のＭｇＯバリア側のＣｏＦｅＢ層は、鉄（Ｆｅ）の濃度をコバルト（Ｃｏ）の濃度よりも多くする方に組成を偏重させた方がＭＲ比は向上する。これは、鉄（Ｆｅ）の結晶構造がｂｃｃ（body-centered cubic）構造であるのに対してコバルト（Ｃｏ）の結晶構造はｈｃｐ（hexagonal close-packed）構造であるので、ＭｇＯバリアに対する結晶整合性が鉄（Ｆｅ）の方がコバルト（Ｃｏ）よりも良いことに起因する。
【００２８】
図７は、記録層１３の下地層１２側のＣｏＦｅ層の組成に対するＭＲ比の変化を示すグラフである。図７の横軸はＣｏＦｅ層の組成を表し、図７の縦軸はＭＲ比（％）を表している。
【００２９】
図７から、記録層１３の下地層１２側のＣｏＦｅ層は、コバルト（Ｃｏ）の濃度を鉄（Ｆｅ）の濃度よりも多くする方に組成に偏重させた方がＭＲ比は向上する。ＣｏＦｅ層におけるコバルト（Ｃｏ）の濃度は、Ｃｏ＞５０at.％が好ましく、Ｃｏ≧９０at.％がより好ましい。
【００３０】
なお、記録層１３の下地層１２側の磁性層１３ＡをＣｏのみから構成してもよい。すなわち、記録層１３がＣｏＦｅＢ（８）／Ｔａ（３）／Ｃｏ（５）から構成されていてもよい。記録層１３の下地層１２側の磁性層１３ＡをＣｏ層で構成した場合でも、図７に示す通り、ＭＲ比を向上させることができる。
【００３１】
また、記録層１３のＭｇＯバリア側の磁性層１３ＣをＦｅＢのみから構成してもよい。すなわち、記録層１３がＦｅＢ（８）／Ｔａ（３）／Ｃｏ（５）、或いはＦｅＢ（８）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（５）から構成されていてもよい。記録層１３のＭｇＯバリア側の磁性層１３ＣをＦｅＢ層で構成した場合でも、図６に示す通り、ＭＲ比を向上させることができる。
【００３２】
図６及び図７の結果を纏めると、記録層１３のＭｇＯバリア側の磁性層１３Ｃは鉄（Ｆｅ）が多い組成に、記録層１３の下地層１２側の磁性層１３ＡはＣｏが多い組成に調整することで、高いＭＲ比を有するＭＴＪ素子１０の形成が可能となる。換言すると、ＭｇＯバリア側の磁性層１３Ｃの鉄（Ｆｅ）の濃度を下地層１２側の磁性層１３Ａの鉄（Ｆｅ）の濃度より多くすることで、高いＭＲ比を有するＭＴＪ素子１０の形成が可能となる。さらに、記録層１３の垂直磁気特性は、ＭｇＯバリア側の磁性層１３Ｃの鉄（Ｆｅ）の濃度を下地層１２側の磁性層１３Ａの鉄（Ｆｅ）の濃度より多くすることで、向上させることが可能である。
【００３３】
記録層１３に含まれる非磁性層１３Ｂは、タンタル（Ｔａ）の代わりに、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、或いはシリコン窒化物（ＳｉＮ）などの非磁性層を用いても良い。ただし、ＣｏＦｅＢ層とＣｏＦｅ層（若しくはＣｏ層）との間に挟む非磁性層１３Ｂの膜厚を増加させると、磁性層内でのスピン散乱が増加し、書き込み電流の増加を引き起こす。このため、非磁性層１３Ｂの膜厚は、１ｎｍ以下が好ましい。
【００３４】
図８は、ＭＴＪ素子１０の他の構成例を示す断面図である。記録層１３は、磁性層１３Ａ、磁性層１３Ｃが積層されて構成されている。すなわち、図２の記録層１３に対して非磁性層１３Ｂを除いている。磁性層１３Ａは、ＣｏＦｅ層、或いはＣｏ層からなり、磁性層１３Ｃは、ＣｏＦｅＢ層、或いはＦｅＢ層からなる。
【００３５】
非磁性層１３Ｂは、磁性層の垂直磁気異方性を増加させることができ、かつ磁気抵抗効果（ＭＲ比）を増加させることができるが、逆に減衰定数の増加を引き起こす。非磁性層１３Ｂを無くすことで、磁性層の減衰定数を小さくし、書き込み電流の低減を図ることが可能である。非磁性層１３Ｂを除いたことで生じる記録層１３の垂直磁気異方性の劣化は、記録層１３を構成する磁性層１３Ａ及び１３Ｃの組成を調整することで防ぐことが可能である。さらに、記録層１３の垂直磁気特性及び磁気抵抗効果（ＭＲ比）は、ＭｇＯバリア側の磁性層１３Ｃの鉄（Ｆｅ）の濃度を下地層１２側の磁性層１３Ａの鉄（Ｆｅ）の濃度より多くすることで、向上させることが可能である。例えば、記録層１３に、ＭｇＯバリア側の磁性層１３Ｃの鉄（Ｆｅ）の濃度を下地層１２側の磁性層１３Ａの鉄（Ｆｅ）の濃度より多いＣｏＦｅＢ（８）／ＣｏＦｅ（５）を用いたり、ＦｅＢ（８）／ＣｏＦｅ（５）、ＦｅＣｏＢ（８）／Ｃｏ（５）、又はＦｅＢ（８）／Ｃｏ（５）を用いることで記録層１３の垂直磁気特性及び磁気抵抗効果（ＭＲ比）を向上させることが可能である。
【００３６】
また、記録層１３は、ＣｏＦｅＢ層の単層であってもよい。記録層１３をＣｏＦｅＢ層で構成した場合、図６に示すように、鉄（Ｆｅ）の濃度をコバルト（Ｃｏ）の濃度よりも多くする方に組成を偏重させることで、ＭＲ比を向上させることができる。
【００３７】
また、記録層１３と下地層１２との間に、膜厚１ｎｍ以下のイリジウム（Ｉｒ）を挟むことで、記録層１３の垂直磁気異方性が向上する。図９は、ＭＴＪ素子１０の他の構成例を示す断面図である。図９に示すように、記録層１３と下地層１２との間に、膜厚１ｎｍ以下のイリジウム（Ｉｒ）からなる下地層１７が設けられている。厚いＩｒ層は記録層１３の減衰定数を上昇させるため、Ｉｒ層の膜厚は１ｎｍ以下が望ましい。下地層１７の材料としては、イリジウム（Ｉｒ）の他に、パラジウム（Ｐｄ）、及び白金（Ｐｔ）などを用いることも可能である。ただし、下地層１７は、記録層１３の減衰定数を上昇させない程度の薄膜化が必要である。
【００３８】
なお、ＡｌＮ層を記録層１３の下地としてではなく、記録層１３のキャップ層として用いるようにしてもよい。図１０は、ＭＴＪ素子１０の他の構成例を示す断面図である。ＭＴＪ素子１０は、下から順に、下部電極１１、参照層１５、中間層（トンネルバリア層）１４、記録層１３、キャップ層１８、上部電極１６が順に積層されて構成されている。キャップ層１８は、前述した下地層１２と同じ材料で構成される。図１０の構成でも、前述した下地層１２を用いた場合と同様に、書き込み電流の低減と、ＭＴＪ素子１０の垂直磁気異方性及び書き込み電流ばらつきの低減の効果を得ることができる。また、図９の構成と同様の理由により、記録層１３とキャップ層１８との間に、下地層１７と同じ材料からなる磁性層を挿入しても良い。これにより、記録層１３の垂直磁気異方性が向上する。
【００３９】
以上詳述したように第１の実施形態では、スピンポンピング効果を低減できる窒素化合物を用いて下地層１２を構成するようにしている。また、下地層１２上に設けられる記録層１３は、トンネルバリア層１４側に設けられかつＣｏＦｅを主成分とする磁性層１３Ｃと、下地層１２側に設けられかつＣｏＦｅを主成分とする磁性層１３Ａとを有し、磁性層１３Ｃの鉄（Ｆｅ）の濃度が磁性層１３Ａの鉄（Ｆｅ）の濃度より高くなるようにしている。
【００４０】
従って第１の実施形態によれば、記録層１３の減衰定数（ダンピング定数）を低減できるため、ＭＴＪ素子１０の書き込み電流を低減することが可能となる。また、記録層１３を前述した積層構造を用いて構成することで、ＭＴＪ素子１０のＭＲ比を向上させることができるとともに、記録層１３の垂直磁気特性を向上させることができる。
【００４１】
また、窒素化合物からなる下地層１２は、熱による耐拡散性が強いため、下地層１２と記録層１３との拡散を抑制でき、ＭＴＪ素子１０の磁気特性のばらつきを抑制することが可能となる。
【００４２】
また、記録層１３と下地層１２との間にＩｒ層などの非磁性層を挟むようにしている。これにより、記録層１３の垂直磁気異方性を向上させることができる。
【００４３】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の断面構造は、図１と同じである。記録層１３は、第１の実施形態で説明した構成を用いることができる。第２の実施形態では、下地層１２には、イリジウム（Ｉｒ）に、スピンポンピング効果を低減できるアルミニウム（Ａｌ）、或いは銅（Ｃｕ）を含有させたＩｒＡｌ、或いはＩｒＣｕを用いる。
【００４４】
図１１は、ＩｒＡｌ下地層のＡｌ濃度と記録層１３の減衰定数との関係、及びＩｒＣｕ下地層のＣｕ濃度と記録層１３の減衰定数との関係を示すグラフである。図１１の測定では、膜厚２ｎｍの記録層１３を用いている。図１１の横軸はアルミニウム（Ａｌ）或いは銅（Ｃｕ）の濃度（at.％）を表し、図１１の縦軸は記録層１３の減衰定数を表している。
【００４５】
図１１から、イリジウム（Ｉｒ）にアルミニウム（Ａｌ）或いは銅（Ｃｕ）を添加する場合、記録層１３の減衰定数は、アルミニウム（Ａｌ）或いは銅（Ｃｕ）の濃度に比例して低下する。結果として、書き込み電流の低減が可能になる。一方、イリジウム（Ｉｒ）へのアルミニウム（Ａｌ）或いは銅（Ｃｕ）の添加は、記録層１３の垂直磁気特性を低下させる。このため、アルミニウム（Ａｌ）或いは銅（Ｃｕ）の濃度には制限がある。
【００４６】
図１２は、イリジウム（Ｉｒ）に銅（Ｃｕ）或いはアルミニウム（Ａｌ）を添加していない場合、すなわちイリジウム（Ｉｒ）のみからなる下地層１２を用いた場合のＣｏＰｄ層の磁気特性を示すグラフである。図１３は、イリジウム（Ｉｒ）に対して銅（Ｃｕ）を５０at.％添加した下地層１２を用いた場合のＣｏＰｄ層の磁気特性を示すグラフである。図１４は、イリジウム（Ｉｒ）に対してアルミニウム（Ａｌ）を５０at.％添加した下地層１２を用いた場合のＣｏＰｄ層の磁気特性を示すグラフである。図１２乃至図１４の横軸は膜面垂直方向の磁場（ｋＯｅ）を表し、図１２乃至図１４の縦軸は記録層１３の膜面垂直方向の磁化（ｅｍｕ）を表している。
【００４７】
図１２と図１３とを比較すると、Ｉｒ下地層に対して銅（Ｃｕ）を５０at.％添加することによって、記録層１３の垂直磁気異方性が劣化していることがわかる。同様に、図１２と図１４とを比較すると、Ｉｒ下地層に対してアルミニウム（Ａｌ）を５０at.％添加することによって、記録層１３の垂直磁気異方性が劣化していることがわかる。
【００４８】
垂直磁気異方性の劣化は、記録保持エネルギーの劣化、すなわちリテンション特性の劣化を引き起こす。このため、過度な垂直磁気異方性の劣化はＭＲＡＭデバイスの実用化を不可能にする。ただし、垂直磁気異方性が過度に大きくなると書き込み電流を増加させるため、適切な垂直磁気異方性の制御が必要となる。つまり、記録層１３の垂直磁気異方性には適切な値が存在し、適切な垂直磁気異方性に制御するために、Ｉｒ下地層への銅（Ｃｕ）或いはアルミニウム（Ａｌ）の添加は好ましい。このように、Ｉｒ下地層に銅（Ｃｕ）或いはアルミニウム（Ａｌ）を添加することで、書き込み電流の低減を、減衰定数の制御及び垂直磁気異方性の制御の両観点で可能にする。
【００４９】
同じ効果は、イリジウム（Ｉｒ）の代わりに、パラジウム（Ｐｄ）、及び白金（Ｐｔ）でも実現できる。イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、及び白金（Ｐｔ）に添加する材料としては、アルミニウム（Ａｌ）及び銅（Ｃｕ）の他に、スピンポンピング効果を低減できる材料、すなわち、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、ロジウム（Ｒｈ）、或いはシリコン（Ｓｉ）を用いることが可能である。纏めると、下地層１２は、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、及び白金（Ｐｔ）から選択される１つの第１の元素に、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、ロジウム（Ｒｈ）、及びシリコン（Ｓｉ）から選択される１つの第２の元素が含有した組成からなる。さらに、記録層１３の垂直磁気異方性は、図１３及び図１４に示す特性より劣化するのは好ましくない。よって、第２の元素は、５０at.％以下の濃度であることが望ましい。
【００５０】
以上詳述したように第２の実施形態によれば、記録層１３の減衰定数（ダンピング定数）を低減できるため、ＭＴＪ素子１０の書き込み電流を低減することが可能となる。その他の効果は、第１の実施形態と同じである。
【００５１】
［第３の実施形態］
第３の実施形態は、参照層１５から漏れる磁場を低減する機能を有するバイアス層２１を新たに追加し、この漏れ磁場に起因する記録層１３の保磁力Ｈｃがシフトするのを防ぐようにしている。
【００５２】
図１５は、第３の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。図１５のＭＴＪ素子１０は、図１の構成に、バイアス層２１及び非磁性層２０が新たに追加されて構成されている。
【００５３】
バイアス層２１は、参照層１５から漏れる磁場の影響で記録層１３の保磁力Ｈｃがシフトし、参照層１５と記録層１３との磁化配列が平行状態と反平行状態との間で熱安定性が変化するのを防ぐために設けられている。バイアス層２１は、参照層１５と同じ垂直磁化膜を用いることが可能である。
【００５４】
非磁性層２０は、バイアス層２１と参照層１５とをこれらの磁化方向が反平行となる反強磁性結合させるために設けられている。また、非磁性層２０は、バイアス層２１と参照層１５とが熱工程によって混ざらない耐熱性、及びバイアス層２１を形成する際の結晶配向を制御する機能を有している。非磁性層２０としては、ルテニウム（Ｒｕ）、銀（Ａｇ）、或いは銅（Ｃｕ）からなる非磁性金属を用いることができる。
【００５５】
また、バイアス層２１と非磁性層２０との間、及び参照層１５と非磁性層２０との間にそれぞれ、ＣｏＦｅ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＢ、或いはＦｅＢなどからなる磁性層を挟むようにしても良い。これにより、非磁性層２０を介したバイアス層２１及び参照層１５の反強磁性結合を強化することが可能となる。
【００５６】
図１６は、ＭＴＪ素子１０の他の構成例を示す断面図である。図１６のＭＴＪ素子１０は、図１０の構成に、バイアス層２１と非磁性層２０とが新たに追加されて構成されている。図１６のＭＴＪ素子１０においても、前述した効果を得ることができる。
【００５７】
以上詳述したように第３の実施形態によれば、バイアス層２１によって参照層１５から漏れる磁場を低減することができる。これにより、この漏れ磁場に起因する記録層１３の保磁力Ｈｃがシフトするのを低減できる。この結果、ＭＴＪ素子１０間での記録層１３の反転磁界のばらつきを低減することが可能となる。また、バイアス層２１を設けることで、参照層１５の磁化を一方向に強固に固定することができる。
【００５８】
［第４の実施形態］
ＡｌＮ下地層は高抵抗層であるため、ＭＴＪ素子１０に書き込み電流に対して十分小さい読み出し電流を流した際に、読み出し出力の低下を引き起こす。よって、ＡｌＮ下地層に電気伝導性をもたせることが好ましい。第４の実施形態では、下地層１２の側壁に導電層２３を設けることで、下部電極１１と記録層１３との間に電気伝導性を持たせるようにしている。
【００５９】
図１７は、第４の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。ＭＴＪ素子１０の積層構造は、図１と同じである。下部電極１１、下地層１２、記録層１３及びトンネルバリア層１４からなる積層体の側面には、導電層２３が設けられている。導電層２３は、図１７の構成に限らず、少なくとも下地層１２の側面に設けられ、また下部電極１１及び記録層１３に電気的に接続されていれば良い。
【００６０】
参照層１５及び上部電極１６からなる積層体の側面には、保護膜２２が設けられている。保護膜２２としては、絶縁体が用いられ、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及び酸化アルミニウム（ＡｌＯ）などが用いられる。
【００６１】
このように構成されたＭＴＪ素子１０では、例えばＡｌＮからなる下地層１２の側壁に電流経路を設けることが可能となる。これにより、下地層１２が高抵抗であっても、下部電極１１と記録層１３との間の抵抗を小さくすることができる。従って、データ読み出し時に、ＭＴＪ素子１０に読み出し電流を流した場合に、読み出し出力を大きくすることができる。
【００６２】
次に、ＭＴＪ素子１０の製造方法について図面を参照しながら説明する。  
まず、図１８に示すように、下部電極１１、下地層１２、記録層１３、中間層（トンネルバリア層）１４、参照層１５、上部電極１６を順に堆積し、ＭＴＪ膜を成膜する。続いて、図１９に示すように、メタルマスク、絶縁マスク或いはレジストマスク（図示せず）を用いて、上部電極１６及び参照層１５を例えばイオンミリング法により加工する。その際、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）により、トンネルバリア層１４としてのＭｇＯのマグネシウム（Ｍｇ）或いは酸素の元素を検知しながら、ミリングを行い、トンネルバリア層１４の上面でミリングを止める。ミリング角度は、参照層１５の側面を垂直に加工するために、２０度以下であることが望ましい。
【００６３】
続いて、図２０に示すように、上部電極１６及び参照層１５の側面に、例えばＭｇＯからなる保護膜２２を形成する。続いて、図１７に示すように、保護膜２２をマスクとして、例えばイオンミリング法により、トンネルバリア層１４、記録層１３、下地層１２及び下部電極１１を１０度以下のミリング角度で加工する。このミリング工程において、下部電極１１や記録層１３を構成する金属を含む反応生成物がトンネルバリア層１４、記録層１３、下地層１２及び下部電極１１の側面に付着する。これにより、トンネルバリア層１４、記録層１３、下地層１２及び下部電極１１の側面に、反応生成物からなる導電層２３が形成される。
【００６４】
なお、前述した製造工程による加工は、真空一貫で実施することで、ＭＴＪ素子１０の側壁への酸化ダメージを抑制することができる。これにより、ＭＴＪ素子１０の垂直磁気異方性の向上、耐熱性の向上、及び磁気特性のばらつきの低下が可能である。
【００６５】
以上詳述したように第４の実施形態によれば、ＡｌＮなどの高抵抗材料を下地層１２に用いた場合でも、ＭＴＪ素子１０に書き込み電流に対して十分小さい読み出し電流を流した際の読み出し出力が低下するのを防ぐことができる。なお、第４の実施形態は、第３の実施形態で示したＭＴＪ素子１０に適用することも可能である。
【００６６】
［第５の実施形態］
第５の実施形態は、前述したＭＴＪ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成した場合の実施例である。ＭＴＪ素子１０としては、第１乃至第４の実施形態で説明したいずれかのＭＴＪ素子を用いることができる。
【００６７】
図２１は、第５の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図である。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ３２を備えている。メモリセルアレイ３２には、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対ＢＬ，／ＢＬが配設されている。また、メモリセルアレイ３２には、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配設されている。
【００６８】
ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差領域には、メモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、ＭＴＪ素子１０、及び選択トランジスタ３１を備えている。選択トランジスタ３１としては、例えばＮチャネルＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタが用いられる。ＭＴＪ素子１０の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子１０の他端は、選択トランジスタ３１のドレインに接続されている。選択トランジスタ３１のゲートは、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタ３１のソースは、ビット線／ＢＬに接続されている。
【００６９】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ３３が接続されている。ビット線対ＢＬ，／ＢＬには、書き込み回路３５及び読み出し回路３６が接続されている。書き込み回路３５及び読み出し回路３６には、カラムデコーダ３４が接続されている。データ書き込み時或いはデータ読み出し時にアクセスされるメモリセルＭＣは、ロウデコーダ３３及びカラムデコーダ３４によって選択される。
【００７０】
メモリセルＭＣへのデータの書き込みは、以下のように行われる。まず、データ書き込みを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬがロウデコーダによって活性化される。これにより、選択トランジスタ３１がターンオンする。さらに、選択メモリセルＭＣに接続されたビット線対ＢＬ，／ＢＬがカラムデコーダ３４によって選択される。
【００７１】
ここで、ＭＴＪ素子１０には、書き込みデータに応じて、双方向の書き込み電流のうち一方が供給される。具体的には、ＭＴＪ素子１０に図面の左から右へ書き込み電流を供給する場合、書き込み回路３５は、ビット線ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線／ＢＬに接地電圧を印加する。また、ＭＴＪ素子１０に図面の右から左へ書き込み電流を供給する場合、書き込み回路３５は、ビット線／ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線ＢＬに接地電圧を印加する。このようにして、メモリセルＭＣにデータ“０”、或いはデータ“１”を書き込むことができる。
【００７２】
次に、メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、書き込みの場合と同様に、選択されたメモリセルＭＣの選択トランジスタ３１がターンオンされる。読み出し回路３６は、ＭＴＪ素子１０に、例えば図面の右から左へ流れる読み出し電流を供給する。この読み出し電流は、スピン注入によって磁化反転する閾値よりも小さい値に設定される。そして、読み出し回路３６に含まれるセンスアンプは、読み出し電流に基づいて、ＭＴＪ素子１０の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＴＪ素子１０に記憶されたデータを読み出すことができる。
【００７３】
次に、ＭＡＲＡＭの構造例について説明する。図２２は、ＭＲＡＭの構成を示す断面図である。Ｐ型半導体基板４１内には、ＳＴＩ(shallow trench isolation)構造の素子分離絶縁層４２が設けられている。素子分離絶縁層４２に囲まれた素子領域（活性領域）には、選択トランジスタ３１としてのＮチャネルＭＯＳトランジスタが設けられている。選択トランジスタ３１は、ソース／ドレイン領域としての拡散領域４３及び４４、拡散領域４３及び４４間のチャネル領域上に設けられたゲート絶縁膜４５、及びゲート絶縁膜４５上に設けられたゲート電極４６を有する。ゲート電極４６は、図２１のワード線ＷＬに相当する。
【００７４】
拡散領域４３上には、コンタクトプラグ４７が設けられている。コンタクトプラグ４７上には、ビット線／ＢＬが設けられている。拡散領域４４上には、コンタクトプラグ４８が設けられている。コンタクトプラグ４８上には、引き出し電極４９が設けられている。引き出し電極４９上には、ＭＴＪ素子１０が設けられている。ＭＴＪ素子１０上には、ビット線ＢＬが設けられている。半導体基板４１とビット線ＢＬとの間は、層間絶縁層４０で満たされている。
【００７５】
以上詳述したように第５の実施形態によれば、第１乃至第４の実施形態で説明したいずれかのＭＴＪ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成することができる。
【００７６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７７】
１０…ＭＴＪ素子、１１…下部電極、１２…下地層、１３…記録層、１４…中間層、１５…参照層、１６…上部電極、１７…下地層、１８…キャップ層、２０…非磁性層、２１…バイアス層、２２…保護膜、２３…導電層、３１…選択トランジスタ、３２…メモリセルアレイ、３３…ロウデコーダ、３４…カラムデコーダ、３５…書き込み回路、３６…読み出し回路、４０…層間絶縁層、４１…半導体基板、４２…素子分離絶縁層、４３，４４…拡散領域、４５…ゲート絶縁膜、４６…ゲート電極、４７，４８…コンタクトプラグ、４９…引き出し電極、ＭＣ…メモリセル、ＢＬ…ビット線、ＷＬ…ワード線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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